El descubrimiento de materiales para baterías mejora la autonomía y el rendimiento de los vehículos eléctricos

Una investigación pionera de la Universidad de Cambridge ha descubierto un mecanismo en los materiales de las baterías de nueva generación que puede limitar su rendimiento.

El equipo siguió el movimiento de los iones de litio en tiempo real dentro de un nuevo material para baterías, identificando que el movimiento irregular de estos iones de litio podría estar inhibiendo la capacidad y el rendimiento de los materiales.

Hasta ahora se creía que el proceso de almacenamiento de los iones de litio estaba normalizado en cada una de las partículas activas; sin embargo, durante el ciclo de carga y descarga, los investigadores descubrieron que no era así.

El estudio puso de manifiesto que cuando la batería se acerca al final de su ciclo de descarga, las superficies de las partículas activas se saturan de litio. Al mismo tiempo, sus núcleos son deficientes en litio, lo que conduce a la pérdida de litio reutilizable y a una capacidad reducida. Los hallazgos podrían ayudar a optimizar los materiales de las baterías existentes y a desarrollar las de nueva generación.

El estudio, que se publica en Joule, ha sido financiado por la Institución Faraday.

Limitaciones actuales de los vehículos eléctricos

Los vehículos eléctricos serán una tecnología crucial para alcanzar los objetivos de neutralidad de carbono, y la mayoría de los vehículos actuales funcionan con baterías de iones de litio. Para que la adopción de los vehículos eléctricos aumente, será esencial contar con una mayor autonomía y tiempos de carga más cortos, lo que significa que habrá que mejorar los materiales tradicionales de las baterías e innovar en otros nuevos.

Un candidato interesante para distribución material eléctrico de las baterías es un electrodo positivo de última generación llamado óxidos estratificados de litio y níquel que se emplea actualmente en los vehículos eléctricos de alta gama. Sin embargo, en la actualidad no se ha alcanzado el pleno rendimiento de estos materiales.

Esto se debe a que los expertos no comprenden del todo sus mecanismos de funcionamiento, como el transporte de iones de litio en condiciones prácticas de funcionamiento, y cómo esto se correlaciona con el rendimiento electroquímico.

Optimización de los materiales de las baterías

Los investigadores de la Universidad de Cambridge han realizado un importante avance en la comprensión de los materiales de las baterías. El equipo ha seguido con un microscopio la forma en que la luz interactúa con las partículas activas durante el funcionamiento de la batería, descubriendo claras diferencias en el almacenamiento de litio a lo largo del ciclo de carga y descarga en el óxido de manganeso y cobalto (NMC) rico en níquel.

Alice Merryweather, primera autora del estudio, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, dijo: «Es la primera vez que se observa directamente esta falta de uniformidad en el almacenamiento de litio en partículas individuales. Las técnicas en tiempo real como la nuestra son esenciales para captar esto mientras la batería está en ciclo».

Mediante la amalgama de observaciones experimentales con la modelización informática, el equipo identificó que la falta de uniformidad se debe a cambios significativos en la velocidad de difusión de los iones de litio en la NMC durante el ciclo de carga y descarga. En particular, los iones de litio se difunden lentamente en las partículas de NMC completamente litificadas, pero la difusión aumenta cuando se extraen algunos de los iones de litio de estas partículas.

El Dr. Shrinidhi S Pandurangi, del Departamento de Ingeniería de Cambridge, comentó: «Nuestro modelo proporciona información sobre el rango en el que varía la difusión de los iones de litio en la NMC durante las primeras etapas de la carga. Nuestro modelo predijo con precisión las distribuciones de litio y captó el grado de heterogeneidad observado en los experimentos. Estas predicciones son clave para entender otros mecanismos de degradación de las baterías, como la fractura de partículas».

La heterogeneidad del litio al final de la descarga explica por qué los materiales catódicos ricos en níquel suelen perder alrededor del 10% de su capacidad tras el primer ciclo de carga-descarga.

El Dr. Chao Xu, coprimer autor del estudio de la Universidad de ShanghaiTech, explicó: «Esto es significativo, teniendo en cuenta que una norma de la industria que se utiliza para determinar si una batería debe retirarse o no es cuando ha perdido el 20% de su capacidad».

Los investigadores trabajan ahora para mejorar la densidad energética y la vida útil de estos nuevos materiales para baterías.